전자 반점 패턴 간섭계

Electronic speckle pattern interferometry
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ESPI 프링게스 – 수직 축을 중심으로 회전하는 평평한 플레이트 – 프링게스는 시야 방향의 변위를 나타낸다. 프링게스 간 변위 차이는 약 0.3μm이다.

TV 홀로그래피라고도 불리는 [1]전자 반점무늬 간섭계(ESPI)는 레이저 광선을 영상 검출, 녹화, 처리와 함께 사용해 광학적으로 거친 표면으로 구성품의 정적 및 동적 변위를 시각화하는 기법이다. 시각화는 이미지에서 프링의 형태로, 각 테두리들은 일반적으로 사용된 빛의 반 파장의 변위(즉, 마이크로미터의 1/4 정도)를 나타낸다.

ESPI는 응력 및 변형률 측정, 진동 모드 분석 및 비파괴 시험에 사용할 수 있다.[2] ESPI는 여러모로 홀로그램 간섭계측과 유사하지만 두 기법 간에도 상당한 차이가[3] 있다.

작동 방식

조사 대상 부품은 광학적으로 거친 표면을 가져야 확장된 레이저 빔에 의해 조명될 때 형성된 이미지가 주관적인 반점 패턴이 되도록 한다. 반점 영상의 한 지점에 도달하는 빛은 물체의 유한한 영역에서 산란되며, 그 위상, 진폭, 강도는 모두 무작위적인 것으로 물체 내 해당 영역의 미세 구조와 직결된다.

기준 빔으로 알려진 두 번째 광장은 동일한 레이저 빔에서 파생되어 비디오 카메라 이미지에 중첩된다(다른 구성이 다른 측정을 가능하게 한다). 두 개의 광장이 간섭하고 결과 광장은 무작위 진폭, 위상 및 강도를 가지며, 따라서 얼룩무늬가 되기도 한다. 물체가 변위되거나 변형되면 물체와 이미지 사이의 거리가 달라져 이미지 얼룩무늬의 위상이 달라진다. 기준 빔과 객체 빔의 상대적 위상이 변화하고, 따라서 결합 광장의 강도가 변화한다. 그러나 객체 라이트 필드의 위상 변화가 2㎛의 배수일 경우, 두 개의 라이트 필드의 상대적인 위상은 변하지 않고, 전체 이미지의 강도도 변하지 않는다.

이러한 효과를 시각화하기 위해 영상과 기준 빔을 비디오 카메라에 결합하여 녹화한다. 객체가 이동/변형되면 새 영상은 첫 번째 이미지에서 포인트 단위로 감산된다. 결과 이미지는 상수 2n³의 윤곽선을 나타내는 검은색 '날개'가 있는 반점 패턴이다.

구성

평면 외 변위 측정

평면 외 ESPI 프링 획득을 위한 광학적 배열

기준 빔은 레이저 빔에서 파생된 확장 빔이며, 비디오 카메라에서 형성되는 물체의 이미지에 추가된다.

영상의 어느 지점에서든 빛의 진폭은 물체(객체 빔)와 두 번째 빔(기준 빔)에서 나오는 빛의 합이다. 물체가 보는 방향으로 움직이면 물체 빔이 이동한 거리가 바뀌고, 그 위상이 바뀌며, 따라서 결합된 빔의 진폭도 변화한다. 두 번째 반점 패턴을 첫 번째 반점 패턴에서 빼면 가시 방향을 따라 변위 윤곽(평면 외 변위)을 나타내는 프링(fring)을 얻는다. 이것들은 간섭이 아니며, 다소 상관관계가 있는 반점 패턴의 영역을 지도화하기 때문에 '상관'이라고 부르기도 한다. 엄밀히 말하면 프링거는 표면이 정상적으로 조명되는 경우에만 순전히 평면 외 변위를 나타내지만(이것은 물체를 비추는 데 빔 스플리터를 사용해야 한다), 물체 조명이 정상 방향과 멀리 떨어져 있지 않는 한 평면 내 이동에 대한 의존성은 상대적으로 작다.

위 영상의 프링들은 평면 외 프링이다. 판은 수직 축을 중심으로 회전되었고 프링크는 일정한 변위의 윤곽을 나타낸다. 시스템에 He-Ne 레이저가 사용된 이후 등고선 간격은 약 0.3μm이다. 많은 간섭 기법이 그렇듯이, 시스템의 추가 정보 없이는 제로 오더 프린지를 식별할 수 없다. 이것은 카메라를 향해 반파장(0.3μm)의 단단한 몸놀림이 가장자리 패턴을 바꾸지 않는다는 것을 의미한다.

홀로그램 간섭측정법은 평면 외 ESPI 프링과 동일한 정보를 제공한다.

평면 외 진동 측정

클램핑된 사각판의 진동 모드 중 하나를 보여주는 ESPI 프링

광학적 배치는 위의 평면 외 변위와 동일하다. 물체는 특정 주파수에서 진동한다. 움직이지 않는 물체의 그 부분들은 계속 얼룩이 질 것이다. nλ/4의 진폭으로 진동하는 물체의 부분은 (n+½)λ/4에서 진동하는 부분보다 반점 대비가 높다는 것을 알 수 있다.

이 시스템은 변위 측정 시스템 중 하나보다 조작이 간단하다. 프링크는 어떠한 기록도 요구하지 않고 얻을 수 있기 때문이다. 카메라의 이미지에서 진동 모드는 강도의 변화라기 보다는 반점 대비의 변화로 관찰할 수 있지만 식별하기는 상당히 어렵다. 영상이 하이패스 여과된 경우 대비의 변동은 강도 변화로 변환되며, 프링글이 선명하게 보이는 곳에서 도표에 표시된 형태의 프린지 패턴이 관찰된다.

홀로그래피 간섭계는 진동 모드를 지도화하는 것과 같은 방법으로 사용될 수 있다.

평면 내 변위 민감 프링(fring)을 보기 위한 광학적 배열

평면 내 측정

물체는 반대쪽에서 물체에 충돌하는 동일한 레이저 빔에서 파생된 두 개의 빔에 의해 조명된다. 물체가 시야 방향으로 정상적인 방향으로 이동하거나 변형될 때(즉, 그 자체 평면) 한 빔의 위상은 증가하는 반면 다른 빔의 위상은 감소하여 두 빔의 상대 위상은 변화한다. 이 변화가 2㎛의 배수일 때, 얼룩무늬는 그 자체와 일치한다(동일하게 남아 있는 반면, 다른 곳에서는 변한다.[4] 위에서 설명한 뺄셈 기법을 사용하면 평면 내 변위 등고선을 나타내는 프링(fring)을 얻는다.[5]

평면 내 변위 구배 측정

물체는 동일한 측면에서 다른 각도에서 물체에 충돌하는 동일한 레이저에서 파생된 두 개의 빔에 의해 조명된다. 물체가 자신의 평면 내에서 변위되거나 변형될 때, 두 빔의 상대적 위상은 평면 내 변위의 경사도에[6] 비례하여 변한다. 다시, 프링글을 표시하기 위해 두 영상의 뺄셈이 사용된다.

홀로그래피 간섭계는 평면 내 ESPI[7] 측정과 동등하지 않다. 전자파 음향 변환기가 포함된 음향 간섭계는 평면 내 진동의 두 편광화를 측정할 수 있다.[8]

참고 항목

참조

  1. ^ Jones R, Wykes C, 홀로그래픽과 Spectle Interferometry, 1989년 캠브리지 대학 출판부.
  2. ^ Shabestari, N. P. (2019). "Fabrication of a simple and easy-to-make piezoelectric actuator and its use as phase shifter in digital speckle pattern interferometry". Journal of Optics. 48 (2): 272–282. doi:10.1007/s12596-019-00522-4. S2CID 155531221.
  3. ^ Schnars U, Palldorf C, Watson J, Jueptner W, Digital Holoraphy 및 Wavefront Sensing, 8장 2판 2014, Springer.
  4. ^ Shabestari, N. P. (2019). "Fabrication of a simple and easy-to-make piezoelectric actuator and its use as phase shifter in digital speckle pattern interferometry". Journal of Optics. 48 (2): 272–282. doi:10.1007/s12596-019-00522-4. S2CID 155531221.
  5. ^ 가스빅 K J, 광학 측정학, 1987년 6.3장, 존 와일리 & 선스
  6. ^ 가스빅 K J, 광학 측정학, 1987년 6.3장, 존 와일리 & 선스
  7. ^ Kreis T, Holographic Interferometry, 2004, Wiley-VCH
  8. ^ 직사각형 판의 평면 내 진동 : 평면파 확장 모델링 및 실험 A.아레올라루카스, J.A.프랑코 빌라파뉴, G.바에즈, 그리고 R.A.Méndes-Sanchez, Journal of Sound and Vibration Volume 342, (2015), 168–176

외부 링크